作者 七君

我們都知道，汽車可以在馬路上加速減速，還可以上高速。那么，火車，尤其是綠皮車為什么不能加速呢，它們明明享用了獨占的鐵道，只要事先把各個班次的火車調配好，大家都提速，不就可以讓乘客快點到站嗎？

emmm，這個想法當然是美好的，但是現實卻很殘酷。火車是不能隨便提速的，因為提速會出大事啊！

出什么大事？請看下圖。

看到了嗎？這就是火車強行提速后發生的悲劇事件。

@BBC

上面這張圖的發生地在德國西部。

其實，早在火車誕生之初，許多鐵道工程師也有給火車提速的想法，但當他們真的開始做了以后，就發現提速后的火車會開始致命扭腰——蛇行振蕩（Hunting oscillation）。

啥是蛇形振蕩？

其實坐過綠皮車的人都有體會，火車開起來的時候，左右晃悠就是蛇形振蕩的表現。

蛇形振蕩

@wikipedia

你想想看，光是那點幫助康師傅面霸在胃部混合攪拌消化的速度就讓綠皮車晃成那樣了，再給提到動車的速度，那還不得晃出太陽系和人頭馬座250肩并肩？

蛇行振蕩的本質是火車車輪的形狀，以及車輪和鐵軌接觸面的受力（蠕滑力）導致的。

對了，你可能不知道火車車輪是什么樣子的。猜猜看？

火車車輪和汽車車輪不一樣，并不是平整的圓柱體，而是圓錐形的。原因嘛，看下下面的圖你就知道了。

如果火車輪是圓柱體，很快就會脫軌。

@Aachen University

圓錐體的火車輪不容易脫軌。

在火車車輪內側靠近鐵軌的地方，還有一個叫做輪緣（flange）的硬片，平時它和鐵軌并不接觸。但是在關鍵時刻，它可以拉車輪一把，防止火車脫軌。

圓錐形的車輪可以讓火車呆在軌道上，但是圓錐形車輪卻會不可避免地帶來蛇形振蕩的問題。

蛇形振蕩在低速時并不明顯，但當車輪高速運轉時，蛇形振蕩會變得異常劇烈，損壞軌道和車輪，甚至導致火車在平直的軌道上脫軌。

蛇形振蕩現象首先在19世紀末被發現，因為當時的火車車速已經提升到可以產生蛇形振蕩的水平。

由于蛇形振蕩的存在，火車的車速都必須壓在一個值以下，這個速度就被稱為蛇行運動的臨界速度（critical hunting velocity）。

也因為蛇形振蕩的天然障礙，在20世紀60年代，人們產生了拋棄傳統火車的想法，那時候許許多多的人開始設法設計氣墊火車或者磁懸浮系統來完全擺脫傳統鐵軌的限制。

比如，60-70年代法國工程師 Jean Bertin 研發的不要火車輪，靠高壓氣體托住火車前進的 Aerotrain 的速度達到了每小時418千米。

Aerotrain

@Mustard

北邊的英國人感到被法國人趕超有點點不開心，所以也立馬制造了 RTV-31 氣墊火車。

RTV-31 氣墊火車

大洋彼岸的美國也不甘示弱，造出了更加先進的 Urban Tracked Air Cushion Vehicle（城市履帶式氣墊車）。

Urban Tracked Air Cushion Vehicle（城市履帶式氣墊車）

但是氣墊火車在低速時非常沒效率，所以后來大家的興趣又轉移到了磁懸浮列車上。不過，磁懸浮列車不能利用現存的鐵軌，而且建造和維護費用高昂，所以到目前為止也沒有幾個國家采用磁懸浮系統。

好在在60年代，英國鐵路公司（the British Rail）對傳統火車進行了改良，他們通過實驗發現，改良后的火車速度可以超過每小時290千米。此后，大多數高速火車都是采用英國鐵路公司的設計。

英國人的這種設計是怎樣減少蛇形振蕩的呢？

他們首先減少了車輪的錐角（錐角越小，車輪看起來越平），并且配上了吸收震動的抗偏器（yaw damper）。

抗偏器

比如，在設計日本新干線的時候，日本工程師們將就圓錐形車輪的錐角減少到普通車輪的二分之一。

新干線車輪的錐角只有普通車輪的二分之一

那個抗偏器又是什么原理呢？

其實，抗偏器這種防震裝置的原理和古老的機械鐘的游絲是一樣的。

機械鐘的游絲（左邊黑色螺線）

彈簧發條可以緩沖上下左右的晃動，吸收蛇形振蕩的能量，提高臨界速度。20世紀早期的一些工程師發現了這一點，并且運用到了汽車上，后來又被復制到了高速列車上。

抗偏器（白色）

經過了這樣的改良，新干線的最高運行速度達到了每小時225千米（2017年9月，“復興號”動車組在京滬高鐵實現350公里時速）。

不過到目前為止，火車最高時速的紀錄屬于法國人。2007年4月3日，法國高鐵——法國高速列車（TGV）創造了每小時574.9千米的世界紀錄。

法國高速列車（TGV）

話說，你知道什么季節更容易發生火車晚點嗎？

實際上是秋季。晚點的原因你猜不到，和植物有關。

根據英國國家鐵路的介紹，植物的葉子浸泡了水以后，會形成一種類似于不粘鍋上的特富龍的物質——果膠（pectin）。

果膠覆蓋在鐵軌上，會變成天然潤滑劑，讓火車輪子打滑。為了防止溜出軌道人仰車翻，秋季的火車就必須經常剎車，也不能大力地加速，這就容易導致晚點。

所以說，現在的鐵路是不可能給你直通大地型的廁所的，那一車軌的有機農家肥可以讓你一路從北京滑...翔...到西雅圖了好伐。

來源：把科學帶回家